5.运输层

运输层协议概述

它属于面向通信部分的最高层，同时也是用户功能中的最低层。
从IP层来说，通信的两端是两台主机。
从运输层的角度看，通信的真正端点并不是主机而是主机中的进程。
运输层向高层用户屏蔽了下面网络核心的细节，它使应用进程看见的就是好像在两个运输层实体之间有一条端到端的逻辑通信信道。
户数据报协议 UDP (User Datagram Protocol):辑通信信道就相当于一条全双工的可靠信道。
传输控制协议 TCP (Transmission Control Protocol):辑通信信道是一条不可靠信道。

用户数据报协议 UDP

UDP 只在 IP 的数据报服务之上增加了很少一点的
功能：

• 复用和分用的功能
• 差错检测的功能

特点：

应用层交给 UDP 多长的报文，UDP 就照样发送，即一次发送一个报文。

• UDP 是无连接的
• UDP 使用尽最大努力交付
• UDP 是面向报文的
• UDP 没有拥塞控制
• UDP 支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。
• UDP 的首部开销小

UDP 的首部格式

检验和求和取反码

传输控制协议 TCP 概述

套接字 socket = (IP地址 : 端口号)
TCP 连接 ::= {socket1, socket2} = {(IP1: port1)，(IP2: port2)}

可靠传输的工作原理

停止等待协议

“停止等待”就是每发送完一个分组就停止发送，等待对方的确认。在收到确认后再发送下一个分组。

1. 无差错情况
   A 发送分组 M1，发完就暂停发送，等待 B 的确认 (ACK)。B 收到了 M1 向 A 发送 ACK。A 在收到了对 M1 的确认后，就再发送下一个分组 M2。
2. 出现差错
   在接收方 B 会出现两种情况：
   B 接收 M1 时检测出了差错，就丢弃 M1，其他什么也不做（不通知 A 收到有差错的分组）。
   M1 在传输过程中丢失了，这时 B 当然什么都不知道，也什么都不做。
   A然后超时重传
3. 确认丢失和确认迟到
   若 B 所发送的对 M1 的确认丢失了，那么 A 在设定的超时重传时间内不能收到确认，但 A 并无法知道：是自己发送的分组出错、丢失了，或者 是 B 发送的确认丢失了。因此 A 在超时计时器到期后就要重传 M1。

自动重传请求 ARQ
停止等待协议的优点是简单，缺点是信道利用率太低。
在收到确认之前，发送方连续发出多个分组，流水线传输可提高信道利用率

停止等待协议要点

• 停止等待
• 编号
• 自动重传请求
• 简单

连续 ARQ 协议

基本思想：
发送方一次可以发出多个分组。
使用滑动窗口协议控制发送方和接收方所能发送和接收的分组的数量和编号。
每收到一个确认，发送方就把发送窗口向前滑动。
接收方一般采用累积确认的方式。
采用回退N（Go-Back-N）方法进行重传。

TCP 报文段的首部格式

侵删～～～ 以下内容来源TCP报文格式详解

1、端口号：用来标识同一台计算机的不同的应用进程。

1）源端口：源端口和IP地址的作用是标识报文的返回地址。

2）目的端口：端口指明接收方计算机上的应用程序接口。

TCP报头中的源端口号和目的端口号同IP数据报中的源IP与目的IP唯一确定一条TCP连接。

2、序号和确认号：是TCP可靠传输的关键部分。序号是本报文段发送的数据组的第一个字节的序号。在TCP传送的流中，每一个字节一个序号。e.g.一个报文段的序号为300，此报文段数据部分共有100字节，则下一个报文段的序号为400。所以序号确保了TCP传输的有序性。确认号，即ACK，指明下一个期待收到的字节序号，表明该序号之前的所有数据已经正确无误的收到。确认号只有当ACK标志为1时才有效。比如建立连接时，SYN报文的ACK标志位为0。

3、数据偏移／首部长度：4bits。由于首部可能含有可选项内容，因此TCP报头的长度是不确定的，报头不包含任何任选字段则长度为20字节，4位首部长度字段所能表示的最大值为1111，转化为10进制为15，15*32/8 = 60，故报头最大长度为60字节。首部长度也叫数据偏移，是因为首部长度实际上指示了数据区在报文段中的起始偏移值。

4、保留：为将来定义新的用途保留，现在一般置0。

5、控制位：URG  ACK  PSH  RST  SYN  FIN，共6个，每一个标志位表示一个控制功能。

1）URG：紧急指针标志，为1时表示紧急指针有效，为0则忽略紧急指针。

2）ACK：确认序号标志，为1时表示确认号有效，为0表示报文中不含确认信息，忽略确认号字段。

3）PSH：push标志，为1表示是带有push标志的数据，指示接收方在接收到该报文段以后，应尽快将这个报文段交给应用程序，而不是在缓冲区排队。

4）RST：重置连接标志，用于重置由于主机崩溃或其他原因而出现错误的连接。或者用于拒绝非法的报文段和拒绝连接请求。

5）SYN：同步序号，用于建立连接过程，在连接请求中，SYN=1和ACK=0表示该数据段没有使用捎带的确认域，而连接应答捎带一个确认，即SYN=1和ACK=1。

6）FIN：finish标志，用于释放连接，为1时表示发送方已经没有数据发送了，即关闭本方数据流。

6、窗口：滑动窗口大小，用来告知发送端接受端的缓存大小，以此控制发送端发送数据的速率，从而达到流量控制。窗口大小时一个16bit字段，因而窗口大小最大为65535。

7、校验和：奇偶校验，此校验和是对整个的 TCP 报文段，包括 TCP 头部和 TCP 数据，以 16 位字进行计算所得。由发送端计算和存储，并由接收端进行验证。

8、紧急指针：只有当 URG 标志置 1 时紧急指针才有效。紧急指针是一个正的偏移量，和顺序号字段中的值相加表示紧急数据最后一个字节的序号。 TCP 的紧急方式是发送端向另一端发送紧急数据的一种方式。

9、选项和填充：最常见的可选字段是最长报文大小，又称为MSS（Maximum Segment Size），每个连接方通常都在通信的第一个报文段（为建立连接而设置SYN标志为1的那个段）中指明这个选项，它表示本端所能接受的最大报文段的长度。选项长度不一定是32位的整数倍，所以要加填充位，即在这个字段中加入额外的零，以保证TCP头是32的整数倍。

10、数据部分： TCP 报文段中的数据部分是可选的。在一个连接建立和一个连接终止时，双方交换的报文段仅有 TCP 首部。如果一方没有数据要发送，也使用没有任何数据的首部来确认收到的数据。在处理超时的许多情况中，也会发送不带任何数据的报文段。

为什么要规定 MSS ？
若选择较小的 MSS 长度，网络的利用率就降低。
若 TCP 报文段非常长，那么在 IP 层传输时就有可能要分解成多个短数据报片。会使开销增大

TCP 可靠传输的实现

以字节为单位的滑动窗口

发送缓存用来暂时存放：
发送应用程序传送给发送方 TCP 准备发送的数据；
TCP 已发送出但尚未收到确认的数据。
接收缓存用来暂时存放：
按序到达的、但尚未被接收应用程序读取的数据；
不按序到达的数据。

超时重传时间的选择

这个自己去看书吧，就是几个公式，很好算的

选择确认 SACK

只传送缺少的数据而不重传已经正确到达接收方的数据

TCP 的流量控制

死锁问题：
B 向 A 发送了零窗口的报文段后不久，B 的接收缓存又有了一些存储空间。于是 B 向 A 发送了 rwnd = 400 的报文段。
但这个报文段在传送过程中丢失了。A 一直等待收到 B 发送的非零窗口的通知，而 B 也一直等待 A 发送的数据。
如果没有其他措施，这种互相等待的死锁局面将一直延续下去。
为了解决这个问题，TCP 为每一个连接设有一个持续计时器 (persistence timer)。
只要 TCP 连接的一方收到对方的零窗口通知，就启动该持续计时器。
若持续计时器设置的时间到期，就发送一个零窗口探测报文段（仅携带 1 字节的数据），而对方就在确认这个探测报文段时给出了现在的窗口值。
若窗口仍然是零，则收到这个报文段的一方就重新设置持续计时器。
若窗口不是零，则死锁的僵局就可以打破了。

糊涂窗口综合症：每次仅发送一个字节或很少几个字节的数据时，有效数据传输效率变得很低的现象。
解决方法：让接收方等待一段时间，使得或者接收缓存已有足够空间容纳一个最长的报文段，或者等到接收缓存已有一半空闲的空间。只要出现这两种情况之一，接收方就发出确认报文，并向发送方通知当前的窗口大小。

TCP 的拥塞控制

出现拥塞的原因：对资源需求 > 可用资源
增加资源不能解决拥塞，还可能使网络的性能更坏。增大缓存，但未提高输出链路的容量和处理机的速度，排队等待时间将会大大增加，引起大量超时重传，解决不了网络拥塞；

拥塞控制与流量控制的区别

真正的发送窗口值 = Min (接收方窗口值，拥塞窗口值)

拥塞的判断:重传定时器超时

四种拥塞控制算法（ RFC 5681） ：

• 慢开始 (slow-start)
• 拥塞避免 (congestion avoidance)
• 快重传 (fast retransmit)
• 快恢复 (fast recovery)
  

主动队列管理AQM

随机早期检测 RED (Random Early Detection)。

TCP 的运输连接管理

TCP 连接有三个阶段：
连接建立
数据传送
连接释放
TCP 连接的建立采用客户服务器方式。